Funktionsvielfalt mit weiterem Potenzial

Wie innovativ sind die typischen Antriebseigenschaften, z.B. in Form von Auto-Tuning und Schwingungsunterdrückung? Und welche konkreten Praxisvorteile ergeben sich daraus? Hierzu befragte die elektro Automation im Rahmen des Trendteils „Drives & Motion" die Experten von Baumüller, Getriebebau Nord, Mitsu-bishi Electric und Schneider Electric sowie ergänzend Fritz Hösel vom Antriebs- bzw. Automatisierungsanwender Trützschler.

eA: Welche innovativen Funktionen wie Echtzeit-Auto-Tuning und Schwingungsunterdrückung bieten Ihre Antriebe?

Finkbeiner: Unsere Servoregler der Reihe b maXX sind als Zustandsregler aufgebaut und somit aufgrund ihrer Struktur sowie der Funktionalität schon von vornherein unempfindlicher und damit schneller und qualitativ besser in der Lage, auf Schwingungen zu reagieren als Kaskadenregler. Zusätzlich bieten sie eine rein automatische Einstellung der Reglerparameter des Drehzahlreglers unter Berücksichtigung der Regelstrecke, d.h. des gesamten Antriebsstrangs. Dabei spielt es keine Rolle, welche Art der Last am Motor angebracht ist. Das System ermittelt automatisch die Parameter, um den Antriebsstrang so steif wie möglich einzustellen. Außerdem bietet das System drei unabhängig voneinander parametrierbare Notch-Filter, um unterschiedliche Störgrößen in unabhängigen Schwingungsfrequenzen zu eliminieren. Wichtig ist hierbei, dass die Steifheit des Systems nicht beeinträchtigt wird.

Hoyer: Sowohl unsere Frequenzumrichter als auch unsere Servo-Antriebssysteme bieten eine Auto-Tuning-Funktion, die den Motor-Typ erkennt und die dazu passenden Standard-Parameter einstellt. Außerdem können die für den Bewegungsablauf notwendigen Parameter ohne Last automatisch ermittelt werden. Servo-antriebe bieten zusätzlich ein Analyse-Tool, mit dem Resonanzbereiche einer Maschine ermittelt werden. Die Resonanz- oder Schwingungsunterdrückung geschieht manuell durch Anpassung der Antriebs-Parameter. Darüber hinaus bieten die Frequenzumrichter Funktionen zur Energieeinsparung, zur Unterdrückung von EMV-Störspitzen bei langen geschirmten Motor-Leitungen sowie zur Ausblendung von Störfrequenzen für die Schwingungsunterdrückung. Ein wichtiger Punkt ist die Sicherheit: Servos und Frequenzumrichter verfügen deshalb standardmäßig über die Funktion „Sicherer Halt" gemäß IEC 61508 Sil 2 oder EN 954-1 Kategorie 3. Generell sehen wir einen Trend zu Funktionen, die den Anwender in allen Phasen im Lebenszyklus eines Antriebs unterstützen und entlasten, also von der Projektierung, über die Inbetriebnahme bis hin zu Service sowie Fehlersuche und -beseitigung.

Radner: Zu unterscheiden sind Auto-Tuning, d.h. etwa die Parameter- und Filtereinstellung der Regler, und Auto-Setting, also z.B. Kennwerteinstellungen des Gebers. Letzere können von Nord-Antrieben automatisiert geladen werden. Getunt wird klassisch mit der Oszilloskop-Funktion unter Betrachtung der Sprungantwort. Auf alle Antriebswerte kann standardmäßig über den Feldbus zugegriffen werden. Aus einem Plot des Drehzahl- und Drehmomenten-Verlaufs beispielsweise lassen sich so per Fourieranalyse Resonanzfrequenzen ermitteln.

Süselbeck: Mitsubishi setzt bereits seit 1988 intelligente Verfahren, wie das Auto-Tuning in seinen Servoantrieben ein. Das aktuelle Echtzeit-Auto-Tuning ist soweit verbessert worden, dass nunmehr über 95 % aller Anwendungen automatisch und sogar kontinuierlich abgeglichen werden. Des Weiteren gibt es adaptive Filter, welche Resonanzen vollautomatisch erkennen und bedämpfen, eine integrierte Maschinenanalyse zur Ermittlung des Frequenzgangs der Konstruktion, eine Schwingungsunterdrückung zur vibrationsfreien Positionierung freier Maschinenarme sowie eine Funktion zum Ausblenden von Störgrößen, wie sie z.B. bei Druckmaschinen vorkommen.

eA: Wie wurden diese Features umgesetzt und welche konkreten Praxisvorteile ergeben sich daraus?

Finkbeiner: Die Features wurden so realisiert, dass die Anwendung und die Bedienung intuitiv umgesetzt werden. Das System stützt dabei die Eingabe bzw. Parametrierung, führt durch den gesamten Tuning-Vorgang und erfragt bei kritischen Fällen die besten Alternativen. Mit diesen Features können mechanische und elektrische Störgrößen, z.B. Totzeiten, eliminiert und die Regelpara-meter darauf angepasst werden. Dies führt dazu, dass auch in direkt angetriebenen Systemen, die nur noch elektronisch gekoppelt sind, sauber und ohne mechanische Umstellungen Störgrößen erfasst und nahezu eli- miniert werden. Die Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen wird dadurch erhöht, dass Einfahrphasen bei Produktwechseln beschleunigt werden und die Mechanik (Lager, Umsetzer) durch den vibrations- und somit schwingungsarmen Betrieb geschont wird.

Hoyer: Zusatz-Service-Funktionen sind fest in der Firmware und Bediensoftware unserer Geräte als Standardfunktion implementiert. In der Praxis werden dadurch die Inbetriebnahme-Zeit bzw. die Zeit für Fehlersuche und -beseitigung sowie die Optimierung von Antrieben wesentlich verkürzt. Für den Anwender bedeutet dies Kosteneinsparung; außerdem erhöht sich die Zuverlässigkeit und damit auch das Vertrauen in unsere Produkte.

Radner: Unser Bedienprogramm Nordserv bietet im Steuerfenster verschiedene Testfunktionen an, die zur Regler- und Filtereinstellung verwendet werden können. Sämtliche Hilfsmittel sind auch bei laufender Maschine, live im Arbeitszyklus einsetzbar. Bequem lässt sich zum Beispiel der richtige Geberwinkel durch Ermittlung der Stellung des Polrades einstellen. In der Praxis helfen bei der Stabilisierung labiler Maschinen insbesondere das parametrierbare Drehzahlfilter im Antrieb und der Fahrprofilgenerator mit Drehzahlausgabe.

Süselbeck: Die Features wurden so umgesetzt, dass Anwender ohne spezielle Kenntnisse diese einstellen und handhaben können. So wird z.B. das Auto-Tuning während des normalen Betriebs kontinuierlich durchge-führt, ohne dass man in einen speziellen Betriebsmodus wechseln muss. Dem Kunden ermöglichen diese Funktionen eine optimale Ausnutzung der Performance eines modernen Servoantriebs, ohne dass er hierfür einen Spezialisten bereitstellen muss. Nicht zu unterschätzen ist auch der Kostenvorteil, wenn die Inbetriebnahme einer Achse direkt durch den Servicetechniker erfolgen kann.

eA: Welche Bedeutung haben aus Ihrer Sicht die integrierte Maschinenanalyse und -simulation?

Finkbeiner: Maschinenanalyse und -simula-tion haben einen sehr hohen Stellenwert, da bei einer Simulation schon in einem sehr frühen Stadium erkannt wird, wo die möglichen Schwachstellen in gekoppelten Antriebssystemen liegen. Hier liegt auch ganz klar die Zukunftstechnologie: Durch die Verschmelzung einer Simulation mit den aus einem laufenden Prozess verbundenen Daten ist es möglich, eine präventive Schwingungsanalyse durchzuführen. Es ist auch als Herausforderung an die Antriebshersteller zu verstehen, solche Innovationen in Zukunft anzubieten.

Hoyer: Die Bedeutung integrierter Tools zur Maschinenanalyse hängt von den Anforderungen ab, die an die Maschine gestellt werden, und steht damit in direktem Zusammenhang mit dem Zielsegment im Maschinenmarkt. Bei Maschinen im unteren Segment werden Analyse-Tools eher direkt in den Antrieben erwartet. Die Analyse wird sich damit eher auf Teilbereiche einer Maschine beschränken. Mit zunehmender Komplexität und steigenden Anforderungen an Leistung, Genauigkeit und Taktrate werden Simulationssysteme interessant, wie sie von unserer Tochterfirma Dextus angeboten werden. Mit einem solchen System reicht die Palette der Möglichkeiten von der Simulation und Analyse einzelner Baugruppen bis hin zur Betrachtung von kompletten Produktionslinien.

Radner: Mechaniker können anhand feststellbarer Frequenzen Probleme oder Verschleiß im Getriebe oder in einer Maschine schnell erkennen. Durch feste Vorgabe eines zulässigen Toleranzbands und durch Vergleiche mit der gespeicherten Referenzkurve lassen sich auch spezielle Resonanzen überwachen, um z.B. ausgeschlagene Lager festzustellen. Und Simulationen erleichtern vieles – schon bei sehr einfachen Ansätzen, beispielsweise wenn aus dem externen Trägheitsmoment die Drehzahlreglereinstellung ermittelt wird.

Süselbeck: Diese als Standard, in Verbindung mit der Setup-Software, bereitgestellten Funktionen ermöglichen eine Analyse der Maschinenkonstruktion, ohne dass man teures externes Messequipment bereitstellen muss. Aufgrund der Kosten, die allein für die Hardware leicht 8000 Euro betragen können, wurde in der Vergangenheit oftmals auf eine solche Analyse verzichtet und entscheidendes Potenzial zur Verbesserung der Maschine verschenkt. Zudem lassen sich Verfahrprofile und Reglereinstellungen ohne angeschlossene Mechanik simulieren.

eA: Die Schwingungsunterdrückung kann sogar konstruktionsbedingte Maschinennachteile kompensieren. Inwieweit vereinfachen die modernen Antriebsfunktionen insgesamt die Konstruktion von Maschinen?

Finkbeiner: In der Antriebstechnik ist man systembedingt mit diesen Themen vertraut, weil hier schon bei der Wandlung von elektronischen Signalen auf mechanische Aktoren eine Wirkung erzielt wird. Ein Stichwort aus der Vergangenheit ist z.B. die Anticogging-Funktion, die sich aus der Konstruktion von permanent erregten Synchronservomotoren ergab. Auch hier mussten konstruktionsbedingt die Rastmomente, die durch die Anordnung der Magnete im Läufer und im Stator entstehen, elektronisch ausgeglichen werden, um eine perfekte Gleichlaufgüte zu erreichen. Deshalb sind die heute innovativen Reglergenerationen durchaus in der Lage, auch nachgelagerte, konstruktive Nachteile auszugleichen.

Hoyer: Geringe Toleranzen und qualitativ hochwertige Verarbeitung sind beim Maschinenbau eigentlich durch nichts zu ersetzen. Allerdings kann die elektronische Antriebstechnik mit entsprechenden Tools dazu beitragen, die Konstruktion einer Maschine zu vereinfachen bzw. mit einer gegebenen mechanischen Konstruktion die Leistung und damit die Produktivität zu erhöhen. Durch eine geeignete Schwingungsunterdrückung können beispielsweise Ausgleichsgewichte überflüssig werden oder die Geräuschentwicklung kann minimiert werden. Maschinen lassen sich somit schlanker, kompakter und auch kostengünstiger konstruieren.

Radner: Leider ist die Unsitte verbreitet, die Elektriker erst zu rufen, wenn die Mechanikkonstruktion abgeschlossen wurde. Dann heißt es gelegentlich, man solle den Motor doch einfach etwas schneller laufen lassen, wenn etwa die Getriebeuntersetzung falsch vorgegeben wurde. Eigentlich sollte die Konstruktion sich nicht derart auf die Features der Antriebstechnik verlassen. Es trifft allerdings zu, dass sich gerade sehr leichte, labile neue Konstruktionen oft überhaupt nur dank einem Resonanzstellen vermeidenden Antrieb implementieren lassen.

Süselbeck: Die neue, zum Patent angemeldete Vibrationsunterdrückung bietet die Möglichkeit, niederfrequente Schwingun-gen, z.B. von freien Werkzeugarmen, zu ermitteln und zu unterdrücken. Oft sind solche Schwingungen für eine Verlängerung der Positionierzeit verantwortlich und nur durch den Einsatz von mehr Masse bzw. exotischen Materialien zu eliminieren. Bei der aktiven Vibrationsunterdrückung vergleicht der Servoantrieb innerhalb weniger Sekunden anhand der Encoderrückmeldung das Verhalten des Motors mit einem idealisierten Modell. Hieraus können die Vibrationselemente extrahiert und durch dem Sollwert überlagerte Gegenbewegungen kompensiert werden.

zg

Baumüller eA 438

Getriebebau Nord eA 439

Mitsubishi Electric eA 440

Schneider Electric eA 441